【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米材料，尤其涉及一种水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法与应用。
技术介绍
1、目前市场上各类电池产品虽种类繁多，但多数存在价格高、寿命短、安全性不足等问题。相比于铅酸电池、锂离子电池和镍氢/镉电池，水系电池采用安全性更高、成本更低、环境友好的水系电解液，且电池制作过程方便、成本下降空间很大。成功发展水系电池的制备技术和应用场景，一方面可作为新一代备选电池系统代替锂离子电池，从而缓解锂资源储量有限的客观状况，进而控制电池成本促进新能源产业得到良性发展；另一方面，水系电解液的环保性和安全性，可以从根本上杜绝锂离子电池潜在的安全隐患。
2、水系电池采用水溶液作为电解液，对湿度不敏感，因此在电池组装过程中不须隔绝空气，已经很大程度简化了电池的制作工艺。如果能从电极材料制备到电池器件组装进一步简化工艺，一体化装配集成流程，将会大大降低水系电池的生产成本。并且提高水资源在材料合成和电池装配过程中的利用效率，同时减少废水的排放，将会充分实现绿色化学以及绿水青山就是金山银山的理念。
3、电极活性材料中的金属元素在水系电解液中逐渐溶解，是水系电池的一大难点，最终会导致水系电池的容量在循环过程中逐渐衰减。目前一类简便有效的方法就是利用溶液的溶解平衡，在水系电解液中预先添加金属离子，达到抑制活性材料中金属离子溶解析出的效果。如oh等人最先做了一项开创性的研究，即在znso4水溶液中加入mnso4，借助添加剂mnso4抑制了mno2电极表面碱式硫酸锌的形成，从而改善了电极反应的可逆性
4、而大部分的合成过程都能以水作为溶剂或媒介，即在水溶液中完成材料的合成。并且在合成过程中，反应物会自发地在溶液中达到溶解平衡。因此，如果将用于反应的溶液收集再利用，配置成电解液，进一步用于电池的组装，一方面解决了目前电极材料的溶解难题，另一方面减少了废水的排放以及实现废水中的有效成分再利用，将水资源和反应物的利用效率发挥到最大化。
技术实现思路
1、鉴于上述现有技术的空白点，本专利技术的目的在于提供一种水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法与应用，旨在优化现有的水系电池制备和装配技术，降低水系电池的生产成本，提高资源利用效率，较少废物排放，实现绿色化学的理念。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，包括步骤：
4、(1)电极材料制备：选用某种金属离子盐，溶解在一定量水中配置成一定浓度的反应溶液，将一定量层状过渡金属化合物分散于配置的金属离子溶液中进行插层反应，在一定的温度反应陈化一定时间后，通过离心将固液分离，其中：分离的插层后固体产物无需干燥，直接用于电极材料涂布浆料配置；液体反应液保留，直接作为水系电池电解液使用；
5、(2)配置电极材料涂布浆料：将新鲜分离的插层后固体产物分散于少量溶剂中，按照固体产物质量计算需加入的导电剂和水性粘结剂用量，搅拌成浆料，反复辊压至可成膜的状态；
6、(3)热压法制备电极片：在两块不锈钢导热板之间，先铺一层硫酸纸，其上放置三维导电集流体，再压入电极浆料，后再铺一层硫酸纸，将集流体和电极浆料夹在其中；在一定压力下加热导热板至一定温度，在该温度压力下保持一定时间，待浆料固化成型冷却后取出，直接用切片机切成特定形状的电极片；
7、(4)电解液的配置及水系电池的组装：将留用的反应液直接作为电解液，先将电极片在电解液中浸润活化，使硫酸纸从电极片两侧剥离；再将浸润电解液后的电极片组装成水系电池。经过电解液浸润的电极片组装的电池可直接进行电化学测试。
8、进一步地，步骤(1)中所述金属离子盐包括金属离子和阴离子，插层所用金属离子来源于可溶性金属盐，金属离子的种类取决于水系电池的种类，包括锂离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、锌离子、锰离子、铝离子中的一种或多种。
9、进一步地，所述金属盐的阴离子取决于水系电解液的种类，包括氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子、高氯酸根离子等无机阴离子以及醋酸根离子、三氟甲烷磺酸根离子、双氟磺酰亚胺、双三氟甲烷磺酰亚胺中的一种或多种。
10、进一步地，步骤(1)中所述层状过渡金属化合物包括氧化物、硫化物、硒化物、碳化物和氮化物中的一种或多种。
11、进一步地，步骤(1)中所述一定浓度的反应溶液取决于电池组装选用的电解液的浓度，用量在1.0mol/l～21.0mol/l之间。
12、进一步地，步骤(1)中所述反应温度和陈化时间取决于不同金属离子的插层难易程度，插层反应温度在25～95℃之间；插层反应时间与反应温度相关联，一般在12～48h之间。
13、进一步地，步骤(2)中所述固体产物质量的测量方法，通过同样的电极材料制备方法制备一份平行样，后续经过离心、分离、干燥，计算出固含量；所述水性粘结剂选用聚四氟乙烯(ptfe)分散水乳液(60wt％固含量)，可选择性添加羧甲基纤维素(cmc)、丁苯胶乳(sbr)等添加剂。
14、进一步地，步骤(2)中所述三维导电集流体取决于水系电池电化学反应体系，包括不锈钢网、铜网、泡沫镍、碳布中的一种或多种；三维结构包括网状、泡沫状、纤维状中的一种或多种。
15、进一步地，步骤(2)中所述热压的压力、温度和时间取决于电极片的面密度、面容量等参数；热压的压力控制在0.1～1.0mpa之间；热压的温度控制在60～120℃之间；热压的时间一般在6～48h之间。
16、进一步地，所述电解液的浓度定义为电池中可迁移的金属离子总数，包括电解液中和电极材料中的反应活性离子。
17、与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
18、(1)本专利技术提供了一种水系电池的技术工艺改良路线，从电极制备到电池组装，保证了投料的原子经济性，符合绿色化学的发展理念。电极材料在合成过程中所用之反应物和溶剂都得到了充分的利用。金属盐中的金属离子，虽小部分插层进入层状化合物，但仍需十倍以上投料保证插层反应的顺利进行，因此大部分金属离子会在固液分离的过程中流失。此工艺充分利用了电极材料在合成过程中的金属盐，甚至连溶剂水都一并回收利用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤S1中所述金属离子盐包括金属离子和阴离子，插层所用金属离子来源于可溶性金属盐，金属离子的种类取决于水系电池的种类，包括锂离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、锌离子、锰离子、铝离子中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，所述金属盐的阴离子取决于水系电解液的种类，包括氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子、高氯酸根离子等无机阴离子以及醋酸根离子、三氟甲烷磺酸根离子、双氟磺酰亚胺、双三氟甲烷磺酰亚胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤S1中所述层状过渡金属化合物包括氧化物、硫化物、硒化物、碳化物和氮化物中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化
6.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤S1中所述插层反应温度在25～95℃之间；插层反应时间与反应温度相关联，一般在12～48h之间。
7.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤S2中所述固体产物质量的测量方法，通过同样的电极材料制备方法制备一份平行样，后续经过离心、分离、干燥，计算出固含量；所述水性粘结剂选用聚四氟乙烯分散水乳液。
8.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤S3中所述三维导电集流体取决于水系电池电化学反应体系，包括不锈钢网、铜
9.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤S3中所述热压的压力控制在0.1～1.0MPa之间；热压的温度控制在60～120℃之间；热压的时间一般在6～48h之间。
10.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤S4中所述电解液的浓度定义为电池中可迁移的金属离子总数，包括电解液中和电极材料中的反应活性离子。
...【技术特征摘要】
1.一种水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤s1中所述金属离子盐包括金属离子和阴离子，插层所用金属离子来源于可溶性金属盐，金属离子的种类取决于水系电池的种类，包括锂离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、锌离子、锰离子、铝离子中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，所述金属盐的阴离子取决于水系电解液的种类，包括氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子、高氯酸根离子等无机阴离子以及醋酸根离子、三氟甲烷磺酸根离子、双氟磺酰亚胺、双三氟甲烷磺酰亚胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤s1中所述层状过渡金属化合物包括氧化物、硫化物、硒化物、碳化物和氮化物中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的水系电池从电极制备到电池组装的一体化工艺简化和绿色化学改良的方法，其特征在于，步骤s1中所述反应溶液的浓度在1.0mol/l～21.0mol/l之间。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张颖朦，王斌，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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